基于JPEG XR的半脆弱数字水印技术研究

陈自刚，何金枝

(南阳理工学院计算机与信息工程学院，河南南阳473004)

用于完整性认证的数字水印又可以分为完全脆弱水印和半脆弱水印。前者通常对像素值的每个可能改变非常敏感，能够检测出任何对图像像素值的改变或对图像完整性的破坏。半脆弱水印的脆弱性是有选择的，它只对反映媒体内容特征的数据改变敏感。在实际应用中，往往需要数字水印能够有效区分有意攻击(如剪切、擦除)与无意攻击(如压缩)。因此半脆弱水印技术被广泛研究和关注。半脆弱水印强调的是一种数据完整性和有效性的标注功能和对数据破坏和攻击的定位分析能力［1-2］。

1 JPEG XR码流结构

JPEG XR图像的内部第一个通道是亮度通道，可以拥有多个色彩通道。一幅JPEG XR图像在水平方向和垂直方向上可以含有1～4 096个分割块，每个分割块的高度和宽度都相同。分割块是一个二维的相邻宏块的集合。每个宏块是由4×4块构成，每个宏块是由4×4采样点构成［3-5］。JPEG XR图像的码流结构有两个基本模式［3-5］：空间模式和频率模式，如图1所示。码流中都是先存放图像头信息，里面标识了此码流所采取的码流结构模式;之后是一张索引信息表，标识了每个分割块的存放位置。两种模式均以分割块为单位。

图1 JPEG XR的码流结构

在空间模式中，每个分割块的码流按照宏块顺序输出。

每个分割块中的宏块经两层LBT(Lapped Biorthogonal Transform)［6］变换后构成频率模式，每个分割块中包含DC、低通系数、高通系数和弹性位4个包并安排在一起。JPEG XR编解码算法［7］中定义了字段BANDS_PRESENT(4 bit)，用来表示码流结构中频率模式时不同的频带的存在情况，如表1所示。这样的模式使得图像能够渐进式显示。图像的压缩率高低的体现是低通系数、高通系数和弹性位是否存在或者存在比例。

表1 字段BANDS_PRESENT定义

2 基于JPEG XR的半脆弱数字水印嵌入

2.1 基于JPEG XR的半脆弱水印嵌入框架

JPEG XR图像的频率模式码流结构是以分割块为基本单位，使得实现基于图像内容的半脆弱水印变得非常方便，不用对原JPEG XR图像进行任何分割和处理。基于JPEG XR的半脆弱数字水印技术主要是为了图像的稳定性认证和内容认证。其嵌入过程主要包括提取和构造基于图像内容的二值水印信息，水印信息置乱和嵌入水印等过程，如图2所示。

图2 半脆弱数字水印嵌入框图

如果码流结构是空间模式，需要将空间模式转换为频率模式。两种码流结构模式的转换不需要缓存整幅图像，而是以分割块(TILE)为单位进行模式之间的转换，且模式转换需要的缓存很小。

2.2 基于图像的二值水印

JPEG XR图像的频率模式码流结构是以分割块为基本单位。每个分割块的DC系数和LP系数包含了图像的主要能量信息，只需提取每个分割块的DC系数和LP系数就能得到图像的特征信息。即每16×16像素的宏块在第一次变换时就能产生一个本宏块内容的4×4像素的二值数字水印信息，对每个分割块依次处理就能得到基于图像内容的二值数字水印信息。但是，JPEG XR编解码算法中允许子带只保留DC系数(如表1所示)，故这里对DC系数和LP系数分开处理提取和构造图像特征，以提高半脆弱数字水印的稳定性，如图3所示。

定义为

图3 图像特征提取

式中：i为图像的第i个分割块;j为第i个分割块的第j个宏块;k为第j个宏块的在第一次LBT变换后的第k个LP系数。k=0时只考虑该分割块的DC系数;1≤k≤15，为第j个宏块的在第一次LBT变换后的LP系数。另外：α为分割块的DC系数阈值，α取每个分割块的所有DC系数的平均值;β为分割块的LP系数阈值，β取每个分割块的所有LP系数的平均值。式(1)是基于DC系数提取的水印图像，即为1/16×M×1/16×N的二值矩阵。式(2)是基于DC系数和LP系数提取的水印图像，即为1/4×M×1/4×N的二值矩阵。它反映了图像的所有宏块内容的1/16信息。

2.3 二值水印置乱

设提取的二值数字水印图像大小为M'×N'像素，像素坐标为(x，y)，且 x=0，1，2，…，M'-1;y=0，1，2，…，N'-1。用式(3)构成二维不等长图像置乱变换实现(x，y)映射为(x'，y')［8］。

变换矩阵即可作为水印图像置乱的密钥。

2.4 二值水印的嵌入

尽管JPEG XR编解码算法支持多种外部图像格式，但JPEG XR只定义了6种内部图像格式：Y、YUV4∶2∶0、YUV4∶2∶2、YUV4∶4∶4、n 通道和 YUVK。这些内部图像格式都是用定点整数来表示［10-11］。且其变换过程采用两级LBT变换。因此考虑如下操作：

1)将JPEG XR码流解码至色彩变换阶段后，LBT变换前;

2)根据置乱的二值水印点的位置提取对应位置像素点;

3)提取该像素点的Y分量值;

4)将该像素点的Y分量值的最低有效位替换为水印点的二值;

5)按照JPEG XR编码过程重新LBT变换，直到JPEG XR编码码流产生。

3 半脆弱数字水印提取与定位

在对JPEG XR图像认证时，首先从JPEG XR图像中提取数字水印信息，将提取的基于图像内容的二值数字水印信息与该图像相应位置的图像转换的二值图像进行比较。如果两者一致，则说明图像未被篡改;如果两者不一致，则说明图像已被篡改，根据位置关系就能发现那个(些)宏块或者块被篡改，即对篡改处进行定位。如图4所示。

图4 半脆弱数字水印提取定位框图

水印提取过程如下操作：

1)将JPEG XR码流解码至色彩变换阶段后，LBT变换前;

2)提取对应位置像素点;

3)提取该像素点的Y分量值;

4)根据该像素点的Y分量值的最低有效位获取水印点的二值;

5)反置乱后获取嵌入在JPEG XR图像中的水印;

6)和先前构造的水印进行比较，发现篡改并定位。

4 实验结果与分析

实验原始宿主图像是256×256×8的亮度通道的Lena图像，如图5a所示。提取既有DC系数又有LP系数基于图像内容的64×64的二值图像为水印信息，如图5b所示。把水印嵌入Lena图像之后的Lena图像，如图5c所示。很显然图5a和5c的大小没有任何变换。对含水印的Lena图像加高斯噪声(0.1)的图像，如图5d所示。对含水印的Lena图像进行剪切，如图5e所示。对含水印的Lena图像进行剪切提取水印图像中的64×64的二值水印信息，如图5f所示。实验中采用峰值信噪比(PSNR)来评价嵌入水印后图像的质量，并用相关系数(NC)来评价提取出的水印图像和原水印图像的相似性。如表2所示。

表2 几种攻击方式下的实验结果

目前支持JPEG XR的图像显示和处理软件较少，PC机实验中对JPEG XR图像的显示是利用安装irfanview_plugins_433_setup.exe(其中包含有Hdp.dll)后的irfanview-v4.33-chinese-xbeta软件完成的。

实验结果表明基于JPEG XR的半脆弱性数字水印技术对常规图像处理操作具有较强的稳定性，同时对于图像认证、篡改检测等方面都具有较好的性能。

5 总结

基于JPEG XR的半脆弱性数字水印技术将水印信息嵌入到图中对应像素点的Y分量的最低有效位，保证了所嵌入水印信息的不可见性，对常规图像处理操作具有较强的稳定性;同时对于恶意篡改攻击等表现出一定的脆弱性，具有一定的检测篡改的能力，可以定位到哪个块被改变。该技术也是一种盲水印技术，实现无源提取。基于JPEG XR的半脆弱数字水印技术的研究，将有助于推动这一新图像标准的推广和应用。

［1］LIN C Y，CHANG S F.Semi-fragile watermarking for authenticating JPEG visual content［C］//Proc.SPIE Security and Watermarking of Multimedia Contents II：vol 3971.San Jose，USA：SPIE Press，2000：140-151.

［2］FRIDRICH J.Image watermarking for tamper detection［C］//Proc.the IEEE International Conference on Image Processing，1998：vol 2.Chicago，USA：IEEE Press，1998：404-408.

［3］ISO/IEC.JTC 1/SC 29/WG 1.ISO/IEC CD 29199-2：2010，JPEG XR image coding system-Part 2：Image coding specification［S］.2010.

［4］ISO/IEC.JTC 1/SC 29/WG 1.ISO/IEC CD 29199-2 cor.2，JPEG XR image coding system-Part 2：Image coding specification［S］.2011.

［5］ISO/IEC.JTC 1/SC 29/WG 1.ISO/IEC CD 29199-3：2010，JPEG XR image coding system-Part 3：Motion JPEG XR［S］.2010.

［6］MALVAR H S.Biorthogonal and nonuniform lapped transforms for transform coding with reduced blocking and ringing artifacts［J］.IEEE Trans.Signal Processing，1998，46(4)：1043-1053.

［7］ISO/IEC.JTC 1/SC 29/WG 1.ISO/IEC FCD 29199-5：2010，JPEG XR image coding system--Part 5：Reference software［S］.2010.

［8］邵利平，覃征，高洪江，等.二维非等长图像置乱变换［J］.电子学报，2007，35(7)：1290-1294.

［9］李永逵，冯乔生，周粉，等.二维Arnold变换及非等长图像置乱变换［J］. 计算机工程与设计，2009，30(13)：3133-3135.

［10］陈自刚，朱海华.JPEG XR在S3C2410A上的实现与优化［J］.电视技术，2012，36(13)：16-18.

［11］吴静龙.JPEG XR码流控制算法的研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学，2010.